框架箱涵施工过程中不同施工工艺对抑制裂缝效果分析

摘" 要：该文通过现场不同间距布置降温水管并结合采用钢模板及木模版对抑制裂缝效果分析，同时结合数值模拟数据分析得到，钢模板的裂缝长度及平均裂缝宽度较木模板效果更好，同时钢模版对于混凝土内部温度消散更快；在考虑经济性影响，通过1 m间距布置降温水管混凝土内部温度峰值较小，同时可达到预期抑制裂缝效果。

关键词：框架桥；裂缝；数值模拟；模版；降温水管

中图分类号：U449.5" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）06-0028-04

Abstract： This paper analyzes the effect of suppressing cracks by arranging cooling water pipes at different intervals on site and combining the use of steel formwork and wood formwork. At the same time， it is concluded that the steel formwork has better effect than the wood formwork in terms of crack length and average crack width， and the steel formwork has better effect on concrete The internal temperature dissipates faster; considering the economic impact， the internal temperature peak of the concrete is smaller by arranging cooling water pipes at a distance of 1 m， and the expected effect of suppressing cracks can be achieved.

Keywords： frame bridge; crack; numerical simulation; template; cooling water pipe

下穿铁路框架桥涵是在现有铁路的基础上，跨越铁路采用的一种有效形式。在框架箱涵施工过程中一般先进行预支并在现场进行顶推作业。很多施工表明，框架箱涵在进行预制过程中，裂缝已经出现并且开裂导致的影响较严重；由于框架箱涵裂缝成因复杂，国内外众多学者针对框架箱涵裂缝成因及控制措施的相关研究也主要集中在以定性分析为主的探索上。

1" 框架箱涵裂缝研究现状

国外对框架箱涵裂缝成因研究可追溯到20世纪70年代，主要对框架箱涵裂缝开裂原因研究较多。H.R.Lutao、Altoubatsa分析了不同因素对混凝土力学性能及变形性能的影响，同时对混凝土收缩发展规律进行大量研究[1]。Kim等[2]认为温度是决定混凝土早期强度的主要因素，同时认为混凝土强度增长与混凝土硬化时间及温度成比例关系。Suzuki等[3]首先通过本构关系描述了混凝土早期温度及力学性能，同时结合试验数据分析了混凝土在施工过程中开裂的主要原因。我国对于框架箱涵裂缝成因研究相对较晚，可追溯到20世纪80年代后期。由于框架箱涵的受力结构较为复杂，同时控制裂缝方法较局限，一般采用较少，主要应用于高速公路发展及城市立交建设中。我国早期裂缝研究主要集中在混凝土裂缝防止措施等方面[4]。朱伯芳等[5]研究人员对混凝土温度应力及温度控制方面做了大量的工作，基于水分迁移规律，提出模版影响因子概念，给出了混凝土及模版水分迁移规律，为采用何种模版进行浇筑而减少混凝土裂缝提供了相应依据。

对于混凝土裂缝研究成因国内和国外已有很多学生进行研究，对于不同的工程特性提出了相应的治理措施，但是就混凝土裂缝成因方面对于框架箱涵研究的较少；同时由于混凝土裂缝的成因较复杂，针对框架箱涵裂缝成因的研究文献欠缺，尤其从框架箱涵施工工艺对温度及应力研究分析较少，给施工控制方案的制定带来不便。本文根据兰州地区某工程项目，通过数值模拟结合试验，从不同施工工艺导致混凝土温度及应力角度出发，研究最佳抑制裂缝效果，为相关工程项目提供参考。

2" 不同施工工艺对框架箱涵裂缝抑制效果分析

2.1" 混凝土浇筑与水化热模拟

当模型转入结构分析后，在Ansys中改变分析类型，并添加弹性模量、泊松比、热膨胀系数等材料参数，改变原先的热力学材料属性，变为结构分析材料类型，并赋给相应部分的单元，其中各部分的弹性模量根据计算施加相应的等效弹性模量，热膨胀系数取0.9×10-5，见表1。施加重力及相应的边界条件，将最大温差时温度场计算结果作为荷载施加到模型进行求解计算，得到相应的结构计算结果。

在混凝土浇筑后，弹性模量是随着龄期的增加而增大，大体积混凝土的瞬时弹性模量为式中：E（t）为t龄期混凝土弹性模量（N/mm2）；E0为28 d混凝土弹性模量，取3.25×104（N/mm2）；e为常数，取2.718，t为龄期（d）。

弹性模量随着龄期的具体变化过程如图1所示。

如图2所示，随着龄期时间的递增，浇筑后混凝土抗拉强度随之递增。当浇筑时间在3～14 d区间内，混凝土抗拉强度由1.25 MPa递增至2.03 MPa；在浇筑14 d以后，抗拉强度区域平缓。在浇筑的前期，混凝土抗拉强度较低，而在一天以后，混凝土抗拉强度急剧升高。在施工过程中，为更好控制混凝土施工裂缝，要求在混凝土早期进行应力控制，防止温度及温差较大而导致温度应力过大，使混凝土应力超过其抗拉强度而产生裂缝。

2.2" 不同工况下数值模拟分析

本文通过不同模版及在施工过程中设置降温水管进行数值模拟，分析不同工况下对裂缝的抑制效果。

2.2.1" 钢模板及木模板对抑制裂缝效果数值模拟分析

输入钢模板及木模板不同参数，考虑配筋进行分区域块建模如图3、图4所示。

如图3及图4所示，在浇筑完成48 h以后，钢模板底板最高温度为56 ℃左右，木模板底板最高温度为74 ℃。钢模板中的温度明显低于木模板，说明钢模板对混凝土中温度消散起到促进作用。

2.2.2" 设置不同工况下降温水管对抑制裂缝效果分析

本文根据降温水管材料特性，通过布置不同工况下降温水管来探究对混凝土裂缝抑制效果，分别从箱涵顶部4 m间距及和底部1 m间距位置进行布置。如图5所示。

如图5所示，混凝土从底部右侧现行浇筑，当时间为40 h时，混凝土内部温差达到极值4.2 ℃，随后温差降低；当时间为72 h时开始浇筑顶部，当时间在72～96 h区间内，温差明显增大，当时间为96 h时，温差达到最大，其峰值为12 ℃。后续随着时间推移温差逐渐降低，当时间为220 h时，温差几乎趋于0 ℃。对比2种工况下设置降温水管对抑制裂缝结果，底部间距1 m位置设置降温水管较顶部4 m设置降温水管，从温差控制及温度峰值控制等方面效果更佳。

2.3" 试验对比分析

根据前期对不同工况下混凝土裂缝抑制效果数值模拟分析，根据不同工况进行现场试验，结合试验数据进行分析。

2.3.1" 采用钢模板及木模板现场试验分析

结合有限元模拟分析结果，通过对混凝土裂缝进行现场观测，测得试验点位裂缝的变化规律。在试验现场选取B箱涵与C箱涵分别进行裂缝观测，C箱涵采用木模板浇筑，B箱涵采用钢模板浇筑，加以养护。

通过现场观测，对不同模版下裂缝宽度进行分析。

在C箱涵中选取具有代表性裂缝进行分析，如图6所示。C箱涵中最大平均裂缝宽度为0.309 mm，最小平均裂缝宽度为0.285 mm。裂缝宽度贯穿整个箱涵并联通侧墙。

在B箱涵中选取具有代表性裂缝进行分析，如图7所示。B箱涵中最大平均裂缝宽度0.143 mm，最小平均裂缝宽度0.136 mm。裂缝呈现中间宽，两头小，并在箱涵中延伸一段距离后逐渐消散。

对比C箱涵和B箱涵中裂缝宽度，采用钢模板中箱涵裂缝较采用木模板中裂缝宽度较小，同时钢模板中裂缝长度较木模板中裂缝长度较短，就现场施工实际，B箱涵中采用钢模板对抑制裂缝效果更好。

2.3.2" 设置不同工况下降温水管现场试验分析

结合有限元模拟分析结果，通过设置降温水管对混凝土裂缝进行现场观测，测得试验点位裂缝的变化规律。在试验现场选取B箱涵与C箱涵分别进行裂缝观测，C箱涵采用4 m浇筑，B箱涵采用1 m浇筑，加以养护。

通过降温水管4 m间距布置，在C箱涵中选取代表性裂缝进行分析如图8所示。C箱涵中最大平均裂缝宽度0.264 mm，最小平均裂缝宽度0.215 mm。裂缝宽度贯穿整个箱涵并联通侧墙。

通过降温水管1 m间距布置，在B箱涵中选取代表性裂缝进行分析如图9所示。B箱涵中最大平均裂缝宽度0.117 mm，最小平均裂缝宽度0.055 mm。裂缝呈现中间宽，两头小，并在箱涵中延伸一段距离后逐渐消散。

对比C箱涵和B箱涵中不同间距设置降温水管裂缝宽度，采用1 m间距布置降温水管中箱涵裂缝较采用4 m间距布置降温水管中裂缝宽度较小，同时采用1 m间距布置降温水管中箱涵裂缝较采用4 m间距布置降温水管中裂缝长度较短，同时结合现场施工实际及考虑经济性，B箱涵中采用1 m布置降温水管对抑制裂缝效果更好。

3" 结论

1）框架箱涵施工过程中，通过分析钢模板和木模板对抑制裂缝效果，采用钢模板其裂缝长度及平均裂缝宽度较木模板效果更好，同时钢模板对于混凝土内部温度消散更快。

2）通过不同间距布置降温水管对抑制裂缝效果分析，通过1 m间距布置降温水管较4 m布置降温水管对抑制裂缝效果更好，根据现场试验，间距越小对抑制裂缝效果更好，考虑经济性影响，本文采用1 m间距布置降温水管可达到预期抑制裂缝效果。

3）结合不同工况下对抑制裂缝效果结果分析，现场施工过程中采用钢模板并按照1 m位置设置降温水管可以达到最佳抑制裂缝效果。

参考文献：

[1] HA J H， JUNG Y S， CHO Y G. Thermal crack control in mass concrete structure using an automated curing system[J]. Automation in Construction， 2014（45）：16-24.

[2] KIM Y R， KHIL B S， JANG S J， et al. Effect of barium-based phase change material （PCM） to control the heat of hydration on the mechanical properties of mass concrete[J]. Thermochimica Acta， 2015（613）：100-107.

[3] SUZUKI Y， MICHIMURA S， TAMURA A. Unbalance response attenuation of a flexible rotor suspended by magnetic bearings with open loop control[J].Jsme International journal，1994，37（2）：285-291.

[4] 刘发，李明，姚婷.表面保温措施对大体积底板及侧墙混凝土开裂风险的影响[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2018，33（4）：76-79，88.

[5] 朱伯芳.混凝土热学力学性能随龄期变化的组合指数公式[J].水利学报，2011，42（1）：1-7.

基金项目：甘肃省级大学生创新创业训练计划项目（S202316209005）；兰州石化职业技术大学科研项目（2023KY-11）；兰州石化职业技术大学建筑结构抗震新方法新技术科研创新团队（无编号）；甘肃省教育厅高校教师创新基金项目（2025B-315）

第一作者简介：郭兵文（1992-），男，硕士，讲师。研究方向为框架桥。

*通信作者：吴亚平（1958-），男，博士，教授。研究方向为力学。